CN109817361A - 一种高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料及其制备方法，涉及核辐射屏蔽防护领域，要解决的是填补以聚酯为基体的屏蔽材料的空白。本产品包括以下重量份的原料：基体材料100份、阻燃剂80‑130份、中子吸收剂10‑60份、短切玻璃纤维0.5‑5份、苯乙烯抑制剂0.5‑2份、促进剂0.5‑5份、催化剂0.5‑5份和偶联剂0.5‑5份。本发明原料来源广泛，制备工艺简单，制备成本低，制备过程中释放了较少量的VOC，对环境友好，同时具有具有抗辐照性能强、力学性能好和耐热性好的优点，性能优于同等厚度的含硼聚乙烯板和环氧基类屏蔽材料，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及核辐射屏蔽防护领域，具体是一种高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料。
背景技术
随着核能技术的发展应用，由此带来的辐射安全与防护问题越来越重要。例如同位素中子源、核反应堆以及加速器在运行过程中会产生核辐射，尤其是中子辐射，其穿透力强，对人员及设备会造成巨大的威胁。
传统的中子屏蔽材料有混凝土、水、聚乙烯以及树脂类等。由于聚合物材料具有独特的性能，被逐渐在屏蔽材料中使用，其中以树脂为主要基体的屏蔽材料是未来的发展需要。聚乙烯是目前使用广泛的中子屏蔽材料，含氢量高，不会被活化，但它不耐高温，在110℃时就软化，且抗辐照效应差。环氧树脂力学性能和热性能较高，但是固化工艺很难控制且固化气味大。
聚酯具有优良的工艺性能和固化后的树脂综合性能好等特征，从而被广泛使用，尤其当其与玻璃纤维组成的复合材料，目前以聚酯为基体发展起来的屏蔽材料成为了研究热点，人们在进行这方面的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料，包括以下重量份的原料：基体材料100份、阻燃剂80-130份、中子吸收剂10-60份、短切玻璃纤维0.5-5份、苯乙烯抑制剂0.5-2份、促进剂0.5-5份、催化剂0.5-5份和硅烷偶联剂0.5-5份。
作为本发明进一步的方案：基体材料包括间苯型不饱和聚酯、邻苯型不饱和聚酯、双酚A型不饱和聚酯和乙烯基酯型中的一种或几种。
作为本发明进一步的方案：阻燃剂包括氢氧化铝、氢氧化镁、硼酸锌和氢氧化镍中的至少一种。
作为本发明进一步的方案：中子吸收剂包括碳化硼、硼酸锌、二硼化锆和二硼化钛中的至少一种。
作为本发明进一步的方案：短切玻璃纤维的长度为1-10mm。
作为本发明进一步的方案：促进剂采用过氧化苯甲酰，催化剂采用N,N-二甲基苯胺。
制得注意的是，硼酸锌不仅可以起到阻燃的作用，而且具有中子吸收的作用，为了更准确更方便地描述硼酸锌的作用以及含量，在实施案例中只考虑硼酸锌的中子吸收作用。
所述高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一，将基体材料、偶联剂、阻燃剂、苯乙烯抑制剂、中子吸收剂和玻璃纤维进行真空搅拌，得到第一混合物；
步骤二，向第一混合物中加入促进剂，再进行真空搅拌和脱泡处理，得到第二混合物；
步骤三，向第二混合物中加入催化剂，再进行真空浇注并且固化，即得到成品。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明原料来源广泛，制备工艺简单，制备成本低，制备过程中释放了较少量的VOC，对环境友好，同时具有具有抗辐照性能强、力学性能好和耐热性好的优点，性能优于同等厚度的含硼聚乙烯板和环氧基类屏蔽材料，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料的结构示意图。
图2为高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料中浇注料的示意图。
图3为高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料中实施例1的成品图。
图4为高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料中实施例1成品的密度测量图。
图5为高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料中实施例1-3的成品在125℃处理后的失重量图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
一种高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料的组分为：间苯型不饱和聚酯10g、乙烯基聚酯90g、硼酸锌30g、氢氧化铝110g、短切玻璃纤维0.5g、BYK-760苯乙烯抑制剂1g、硅烷偶联剂0.5g和促进剂0.5g，将组分依次加入高速混合器中，将其在转速2000转/分钟下混合30分钟得到。
实施例2
与实施例1不同的是，改变了苯乙烯抑制剂的种类，一种高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料由以下组分组成：间苯型不饱和聚酯10g、乙烯基聚酯90g、硼酸锌30g、氢氧化铝110g、短切玻璃纤维0.5g、BYK-740苯乙烯抑制剂1g、硅烷偶联剂0.5g和促进剂0.5g，将组分依次加入高速混合器中，在转速2000转/分钟下混合30分钟，得到混合料。
实施例3
与实施例1不同的是，继续改变苯乙烯抑制剂的种类，一种高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料由以下组分组成：间苯型不饱和聚酯10g、乙烯基聚酯90g、硼酸锌30g、氢氧化铝110g、短切玻璃纤维0.5g、BYK-750苯乙烯抑制剂1g、硅烷偶联剂0.5g和促进剂0.5g，将组分依次加入高速混合器中，在转速2000转/分钟下混合30分钟，得到混合料。
实施例4
与实施例1不同的是，改变不饱和聚酯和乙烯基聚酯的含量，一种高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料由以下组分组成：间苯型不饱和聚酯20g、乙烯基聚酯80g、硼酸锌10g、氢氧化铝130g、短切玻璃纤维0.5g、BYK-760苯乙烯抑制剂1g、硅烷偶联剂0.5g和促进剂0.5g，将组分依次加入高速混合器中，将其在转速2000转/分钟下混合30分钟得到混合料。
实施例5
实施例5与实施例1不同的是，改变硼酸锌的质量分数，一种高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料由以下组分组成：间苯型不饱和聚酯10g、乙烯基聚酯90g、硼酸锌60g、氢氧化铝80g、短切玻璃纤维0.5g、BYK-740苯乙烯抑制剂1g、硅烷偶联剂0.5g、促进剂0.5g，将组分依次加入高速混合器中，在转速2000转/分钟下混合30分钟，得到混合料。
对实施例1-5的产品进行中子衰减系数、拉伸性能、缺口冲击强度和硬度进行测定。
本发明在进行中子屏蔽效率的试验中，采用的试验方法是：将待测试的样件置于3He中子探测器与镅铍中子源之间，挡住中子探测器，稳定单位时间后读取累计中子数。根据公式I＝I0e-∑x计算出中子衰减系数，I0为无遮挡时单位时间内探测器探测到的累计中子数，拉伸性能、断裂伸长率测定参照GB/T2546.2-2003进行，缺口冲击强度测定参照GB/T1043-2008进行。
材料的阻燃性能测试方法，常常用氧指数来表示，氧指数是指一定尺寸的材料(试片)装入试验装置中，在规定条件下，通入氧气和氮气的混合气体，将试片用点火器点燃，测定保持如蜡状持续燃烧所必须的最低氧浓度(以百分数来表示)。氧指数高于21％表示材料不容易燃烧，氧指数低于21％表示材料容易燃烧，并根据氧指数高低对其阻燃性能进行划分。
利用实施例1中屏蔽材料对中子引出管道进行屏蔽，中子注量率为108n/(cm-2·s)，屏蔽厚度为8mm，屏蔽后中子注量率为87n/(cm-2·s)，且VOC较少，燃烧等级V-0。其他案例中屏蔽后的中子注量率存在变化，同时在VOC和阻燃性能上存在区别，同时实施例1-5中材料具有较好的力学性能，检测结果见表1。
表1
本发明的中子屏蔽材料，制备过程中释放了较少量的VOC，工艺简单，同时具有良好的力学性能，性能优于同等厚度的含硼聚乙烯板和环氧基类屏蔽材料。
本发明的工作原理是：在聚酯树脂中添加中子吸收剂和阻燃类填料，中子吸收剂具有吸收中子的作用，阻燃剂具有良好的阻燃性能，玻璃纤维具有独特的力学性能，助剂抑制了体系中苯乙烯的挥发，当这些填料助剂和聚酯树脂混合制备成浇注料时，除了各自本身的特性之外，同时表现出更多物理性能和工艺上的优势，使得屏蔽材料很好地满足浇注工艺，固化后的树脂表现出优异的性能。
在制备浇注料时，考虑到其他原料和基体材料的相容性问题，故在加入其他原料加入之前先加入硅烷偶联剂，待充分水解后加入其他原料。
本发明固化过程采用的是常温固化，一般常温固化采用过氧化甲乙酮或过氧化环己酮和钴促进剂体系、过氧化苯甲酰与N,N-二甲基苯胺体系、过氧化苯甲酰-过苯甲酸叔丁酯或异丙苯过氧化氢体系，考虑到中子屏蔽材料的工作环境，尽量选择不含钴的促进剂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：基体材料100份、阻燃剂80-130份、中子吸收剂10-60份、短切玻璃纤维0.5-5份、苯乙烯抑制剂0.5-2份、促进剂0.5-5份、催化剂0.5-5份和硅烷偶联剂0.5-5份。
2.根据权利要求1所述的高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料，其特征在于，所述基体材料包括间苯型不饱和聚酯、邻苯型不饱和聚酯、双酚A型不饱和聚酯和乙烯基酯型中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料，其特征在于，所述阻燃剂包括氢氧化铝、氢氧化镁、硼酸锌和氢氧化镍中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料，其特征在于，所述中子吸收剂包括碳化硼、硼酸锌、二硼化锆和二硼化钛中的至少一种。
5.根据权利要求1或3所述的高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料，其特征在于，所述短切玻璃纤维的长度为1-10mm。
6.根据权利要求1所述的高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料，其特征在于，所述促进剂采用过氧化苯甲酰，催化剂采用N,N-二甲基苯胺。
7.一种如权利要求1-6任一所述的高阻燃低挥发性的中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，将基体材料、硅烷偶联剂、阻燃剂、苯乙烯抑制剂、中子吸收剂和短切玻璃纤维进行真空搅拌，得到第一混合物；
步骤二，向第一混合物中加入促进剂，再进行真空搅拌和脱泡处理，得到第二混合物；
步骤三，向第二混合物中加入催化剂，再进行真空浇注并且固化，即得到成品。
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| 王鹏等: "短切碳纤维增强B_4C/环氧树脂基中子屏蔽材料的力学性能优化研究", 《核技术》 * |
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